关键词: 传感器; 输电线路; 线路 覆冰; 检测技术; 图像处理 中图分类号: T P274+ . 5 文献标识码: A 文章编号: 1000 3932( 2011) 02 0129 06
截止 2009 年, 我国已建 成世界上规 模最庞大 的电网。完善的检测技术是其安全且 稳定运行的 保证, 同时也 是智能 电网 建设 的重 要组 成。输电 线路覆冰现象 在输 变电系 统中 十分普 遍, 覆 冰会 引起导线舞动、杆塔倾斜倒塌、断线及 绝缘子闪络 等问题, 给生产和生活带来极大的不 便, 同时也造 成了巨 大的 经济 损失 [ 1- 4] 。我国 地 域广 阔, 地形 复杂, 是遭受覆冰灾害最严重的国家之一。
量即为覆冰的质量, 与冰样称重检 测相似, 可以按
式 ( 3)折算 成线 路设 计冰 质厚 度, 这 里 的 G 为导
线覆冰后的单位长度的荷重增量 ( kg /m ) 。
由于可以在 线获 取, 对 提高 送电 线路 覆冰厚
度检测的准确 性, 减 小观冰 人员 的劳 动强 度具有
积极作用。
荷重增量法现在仍是覆冰检测 的主要手段之
因为影响线路 覆冰厚 度的 因素 非常 复杂, 取自模
拟线段的冰样往往与实际运行导线上的有出入。
2. 1. 2. 2 荷重增量法
随着电子技 术的 发展, 自动 在线 获取 厚度成
为可能。上世 纪 80 年 代中 期覆 冰厚 度信 号遥测
仪已经出现并试用于监测线上 [ 6]。 其工作原理是
线路覆冰后, 导线上的荷重产生一 个增量, 这个增
需要精密的电桥测量电路。
鉴于光纤传感 器的 优异 性能, 文献 [ 7] 提出
了采用 分 布 式 光 纤 传 感 器 进 行 覆 冰 检 测; 文 献
[ 8]通过实验研究 了光纤布 喇格光 栅反射 波长与
梁负重的关系, 实验 结果显 示利 用光 纤布 喇格光
栅传感器监控输电线覆冰情况是可行的。
2. 1. 3 导线倾角 弧垂法
di = d1d2
( 1)
b= ( di - d) /2
( 2)
式中: di 导线覆冰后 的等效 直径, mm; d1
覆冰导 线 的 长 径, mm; d 2 覆 冰 导 线 的 短 径,
mm; b 导 线 覆冰 的 等效 厚 度, mm; d 导线
直径, mm。
图 1 冰凌长径 a、短径 c测量示意图
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化工自动化及仪表
第 38 卷
的 [ 1]。线路覆冰检测最基本的是对覆 冰厚度的检 测, 然后和设计值比较。由于所处环 境的复杂性, 实践中, 除了检 测实际 运行 输电线 路的 覆冰 厚度 外, 也常通过模拟导线法进行检测。
不论是对实际运行线路还是观冰 站模拟线路 的检测, 其目的都是要获得实际线路 的覆冰厚度。 按照测量方法可分为直接测量和 间接测量。线路 覆冰冰层的厚 度很 难直接 得到, 一 般都 采用 间接 测量方法, 通过厚度和其它量的关系间接得到。 2. 1 检测方法
输电线路设计时, 依据所处位 置的气候条 件、 历史观察数据及经验等, 选取一定 的冗余度, 制定 覆冰允 许 厚 度, 其 中 覆 冰 是 以 雨 凇 为 基 准 折 算
收稿日期: 2010 09 11( 修改稿 ) 基金项目: 973 国 家重点 基础 研究 发展 规划 基金 项 目 ( 2007CB206904) ; 中 国 华 能 集 团 公 司 科 学 技 术 项 目 ( HNK J08 - H 32)
输电线路覆 冰是 客观存 在的, 无法 从根 本上 消除。但可通过 完善 的检测 技术, 随时 掌握 线路 覆冰的情况, 预测其发展趋势, 给出预 警信号及时 采取除冰措施, 从而 达到 防灾 和减 灾的 目的。近 年来事故逐年 上升 的事实 证明, 现 有检 测系 统还 不能满足安全 需求, 探 讨更 为完善 的检 测系 统对 输电线路的运行及提高整个电力系统 的安全可靠 性具有重要的实际意义和指导作用。
2008 年春 节前 后 我国 南方 出现 严 重的 冰雪 灾害, 导致输电线路大范围覆冰, 严重 影响了电网 的正常运行, 此 次线路 的覆 冰再一 次使 线路 覆冰 的研究成为热 点。覆 冰的研 究包 括机 理、检 测技 术和 (防 ) 除 冰技 术 3 部分 [ 1, 2] , 检 测 技术 的 进步 依赖于机理研 究的 深入, 同 时完善 的检 测技 术也 促进机理研究的发展, 为机理研究和 防冰、除冰技 术的研究以及输电线路的设计提供支持。
一, 荷重检测 常用 的传 感器 是压 阻应 变片 [ 3] 。电
阻应变片压力 传感器 有金 属和 半导 体两种, 其中
半导体应变片利用的是半导体内部 载流子的迁移
引起的压阻效 应, 而 金属应 变片 利用 的则 是金属
机械变形发生的应变 电性能 改变。压阻应变
片在使用中存在非线性和温度、零 位漂移等因 素,
2. 1. 1 量器具检测法 覆冰的截面 形状 不规则, 为满 足工 程应 用要
求, 常将各种覆 冰形状 按截 面简化 为圆 柱形 和翼 形覆冰 [ 1, 6] 。在覆冰导 线上, 用千 分尺、米尺 等量 器具测 量 冰层 的 特征 尺 寸。近 似 圆柱 形 比 较简 单, 对于翼 形覆 冰 可测 量其 长 径 ( 也 称冰 层 的直 径 )和短径 (也称冰层 的厚度 ), 如图 1所 示, 然后 按照下面的公式, 来计 算覆冰 的等效直 径 [ 5] 和覆 冰的厚度:
(3)
折 算后 的 设 计冰 质 密 度 为 0. 9g / cm3
厚度, mm; G 单 位长 度 导 线 的 覆 冰 质 量, kg /
m; d 导线的直径, mm。
与量器具 检测 法相比, 冰样 称重 检测 法考虑
了覆冰 的密 度, 得到 的 厚度 为 测 量线 段 的 均 值。
在上世纪 80 年代 较常 应用 在模 拟线 段上 [ 6] 。但
( 5)
B = arc tan( lw /2H cos + h /l)
将式 ( 4 )、( 5) 中的 w /H 带入式 ( 3 ), 可得:
f=
l 4
tan A +
h
h l
( 7)
上述函数关系表明线路的弧垂与 悬挂点倾角
的关系, 是倾角 弧垂检测法的 依据。在 悬垂线夹 附近的导线上 安装 倾角传 感器, 监 测导 线倾 角的
对导线的危害最为严重 [ 1]。 输电线路覆冰会造成以下危害: ( 1) 破坏杆塔。 线路 覆 冰过 厚, 会 使杆 塔机
械荷重超载而折断; ( 2)线路跳闸。对于导线垂直排列的线路, 当
下层导线上的 覆冰先 脱落 时, 导 线就 会迅 速上升 或上、下跳跃, 造成相间短路, 使线 路开关跳闸, 供 电中断;
弧垂为 [ 10] :
f = l2w /8H cos
(4)
第 2期
陈立军等. 输电线路覆冰检测技术发展综述
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式中: H 导线 最低 点 的水 平张 力, N; w 导 线单位长度的自重力 (荷载 ), N。
图 2 悬挂点不等高的架空线
悬挂点 A、B 处导线的倾角分别为:
A = a rctan( lw /2H cos - h / l)
这种方法可在实际和模拟线 路上进行。在上 世纪 70 年代前一直采用, 且主要是在 观冰站架设 的冰凌监视模拟线上进行的。此方法 须手动人工 操作, 存在很大的局限性: 不规则的冰 层表面和导 线上各点各异 的冰 层截面, 通常特 征尺 寸是 在导 线的某一部位 (如 中部 )测 得, 难以正 确反 映导线 实际覆冰厚度; 计算出覆冰厚度时, 没 有考虑冰的 密度, 可能会出现虚假的厚度值。 2. 1. 2 称重法
笔者简 要阐 述 了 输电 线 路 覆 冰的 种 类 及危 害, 介绍了覆冰检测方法以及实现方 式, 提出了功 能较为完善的检测系统及涉及的关键技术。
1 输电线路覆冰的类型及危害 导线覆冰 是随 机的 自然 现象。冰 的性 质、形
状和冰量均取 决于 气象条 件、当地 的地 形特 点及 导线 所处 的 位 置 等。导 线 上 的 冰 一 般可 分 为 4 类: 雨淞、混合淞、雾淞和积雪, 其中雨 淞和混合淞
称重法有两种形式: 一是冰样称 重检测; 二是 荷重检测法。 2. 1. 2. 1 冰样称重检测
先称取一段 导线 上的覆 冰质 量, 折 算出 单位
长度导线上 的覆 冰质 量 G, 再 用设 计时 所用 计算 公式算出导线的平均等价覆冰厚度 [ 9]:
式中: b
b= 0. 5( 1414. 7G + d2 - d)
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陈立军等. 输电线路覆冰检测技术发展综述
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输电线路覆冰检测技术发展综述
陈立军, 吴 谦, 石 美, 王 莹
( 东北电力大学 自动化工程学院, 吉林 吉林 132012)
摘要: 简要介绍了导线 覆冰的种类以及造成的危害, 综述了覆冰 检测方法 及所用的传 感器, 给出了功 能较 为完善的检测系统, 并指出了 关键技术及尚需解决的问题。
统必备的。
2. 1. 4 图像法 图像信息以其信息量大, 形象直 观、灵活等一
系列 优点 [ 11], 成为人们获 取信息的重 要来源及利 用的重要手段之一。近年来出现了基 于图像处理
的线路覆冰检测方法并逐渐成为输电 线路覆冰在
线监测的主要手段。在杆塔等设备上 安装视频装
置, 拍摄导线上 的覆 冰图 像, 通 过图像 处理 技术, 获取覆冰导线的特征尺寸, 然后通过 模型计算, 最 终得到等效覆冰厚度 [ 5]。
综上所述, 线路覆冰会造成机 械和电气故 障。 而破坏 力最 大 的是 由 于覆 冰 的厚 度 超过 了 设计 值, 导致线路的机械故障, 进而导致 电气故障的发 生。覆冰线路载 荷加 大, 载 荷又 可分 为静 态载荷 和动态载荷, 而动态载荷又是危害 的主要原因, 其 与导线的物理 参数、覆冰的 类型 和密 度以 及风速 和风向等有关。 2 输电线路覆冰的检测技术